关于CBTC系统无线通信采用UHF低频段的可靠性分析

　　城市轨道交通基于通信的列车控制(CBTC)系统利用无线通信作为数据通信系统(DCS)车地双向信息通道，首先要考虑无线传输的可靠性。国外应用CBTC的有北美的ATCS、日本的CARAT和欧洲的ETCS。国内开展了许多对CBTC通信性能的研究，文献建立了铁路环境信道模型，分析高速铁路环境下无线传输误码率;文献对DCS的结构和可靠性进行具体分析，提出冗余性策略和故障-安全策略;文献综合了随机信道恶化、越区切换、无线接入设备故障等无线信道失效因素，提出了CBTC数据通信子系统非冗余结构和冗余结构的可靠性模型。深圳地铁出现CBTC受到WiFi(无线局域网)干扰事件后，CBTC采用专频技术已成为今后的研究方向。上海申通地铁集团有限公司在张江实训线开展了采用400MHz频段基于漏缆传输的新型CBTC试验，本文针对这种新型的通信模式进行研究，以测试采用UHF(UltraHighFrequency)低频段和基于漏缆传输的专频专网技术的可靠性和可用性。
　　1系统介绍
　　1.1400MHz系统关键技术
　　现有的DCS工作在2.4GHz，采用了双向自愈骨干网环网和正交频分复用(OFDM)无线扩频技术，轨旁AP(无线接入点)接入方式。2.4GHz属于UHF的高频段，采用基于802.11标准的WLAN(无线局域网)车地通信方式，无线覆盖范围大致在200m。
　　本文研究的DCS工作在400MHz，采用了包括码扩正交频分多址(CS-OFDMA)、智能天线、时分双工(TDD)、动态调制、动态信道分配等4G(第四代移动通信技术)主流技术。轨旁采用基带处理模块(BasebandUnit，BBU)加光纤射频拉远模块(RadioRemoteUnit，RRU)的基站模式，无线覆盖范围大致在1km。根据应用场景的不同，系统提供不同的组网覆盖方案，分为单网交织冗余组网覆盖和双网交织冗余组网覆盖。本次张江实训线测试，无线侧覆盖方案采用红蓝双网与之对应。基站的功率达到33dB，比WiFi的AP功率大很多。新技术采用漏缆无线覆盖，因此可将基站设置在车站机房，长度小于1.5km的区间内无须设置任何有源设备。采用漏泄电缆覆盖的好处还在于当某个RRU出现故障时，其相邻两个RRU足以支撑车载设备与轨旁设备的正常无线通信。
　　1.2传输方式比较
　　(1)2.4GHz天线模式:利用电磁波在空气中从发射天线到接收天线传输信号，无需线缆介质。根据城市轨道交通线状分布的特点，车载天线多采用全向天线，轨旁天线一般采用定向天线，以增加传输距离。天线覆盖的有效距离取决于发射功率、发射和接收天线的增益、工作频率以及接收机的接收灵敏度。以现在通用的工作在2.4GHz频段的CBTC无线通信系统为例，其有效的覆盖范围大约为200m。
　　(2)400MHz漏泄电缆模式:漏缆的系统损耗有耦合损耗和纵向的传输损耗两种，耦合损耗受电缆槽孔形式和外界环境对信号的干扰或反射影响，宽频范围内，辐射越强耦合损耗越低;传输损耗受传输距离影响，随着距离的增大而线性增大。两种损耗的均值随频率不同而不同。本次400MHz频段CBTC试验，无线传输的漏缆的主要系列为1-5/8，其最大覆盖范围一般为1000m。
　　2张江实训线测试
　　2.1测试环境
　　为了验证采用400MHz频段4G技术的CBTC无线通信方案的可行性，在上海张江实训线上对信号覆盖、故障弱化及切换、抗干扰等进行试验测试。实训线总长约1.6km，共设甲、乙、丙3个站台(乙站为虚拟站点，无站台，仅允许列车停靠)。实训线上装有400MH系统的红蓝网各2套基站，1、2通道信号通过4功分器耦合后接漏缆向东覆盖，3、4通道信号同理接漏缆向西覆盖，甲、丙两站用一条完整的漏缆进行信号覆盖。网络侧为红蓝网分别规划一个IP子网，均接到3层交换机上，然后再将交换机接入卡斯柯信号有限公司的CBTC系统。
　　2.2测试结果
　　2.2.1站内信号覆盖情况
　　测试时从站台内的最东侧到最西侧，每隔两个车门的距离(约10m)选取一个测试点，记录下该点的终端接收信号强度(单位dBm)。南北两侧各选取22个测试点。
　　从南北两侧相同位置的数据可以看出，大部分南侧信号比北侧信号稍强，且靠近RRU的测点信号相对要强一些。从张江测试线上的整体数据来看，全线信号强度基本在-75dBm以上，满足终端同步及业务需求。
　　2.2.2故障弱化及切换
　　400MHz系统支持在基站与基站控制设备核心网SAC链路发生异常时对故障进行弱化，使终端能够完成在基站间的正常切换。对切换过程的丢包、时延变化情况加以考察。从诊断工具上看终端切换过程ping业务均没有丢包。同时在列车运行中开启帧录，对fping记录log，wireshark工具抓包。
　　从wireshark抓包分析看，切换中基本没有出现发重复包，仅出现一次丢1个ping包。测得的越区切换平均时延比未优化前的越区切换平均时延低200ms左右，满足要求。因此，系统在故障弱化状态下，终端能正常在基站之间进行切换，基本满足正常运行需求。
　　2.2.3抗干扰情况
　　分别将天线置于车外、车内空旷处、驾驶室顶部安装天线处，记录各处的底噪频谱。以408MHz为中心频率测试，车内空旷处及车外底噪没有明显差异，均在-110dB左右。在车头驾驶室顶部，即计划安装车载天线处，将天线从外部移动进去后，可看到底噪达到近-90dB。
　　3可靠性分析
　　3.1可靠性计算原理
　　CBTC车地无线通信容易受到以下三方面影响:
　　(1)轨旁单元故障:由于硬件故障或者软件故障导致车地无线通信不能正常工作。
　　(2)传输差错:由于轨道交通隧道环境复杂，引起的多普勒效应，多径反射以及各种干扰等的影响。
　　(3)传输中断:列车经过相邻无线小区交界处时，由于越区切换的方式不合理或者无线电场强交叠区设置不合理，导致车地无线通信不能正常工作。
　　3.2实例分析
　　从上分析得出，单个系统的可靠性主要由故障速率和修复速率决定。给出了故障速率和修复速率的参数表，其越区切换故障速率的值要明显高于传输差错故障速率和轨旁单元硬故障速率，硬故障出现的概率最小。
　　通过计算，400MHz和2.4GHz单个单元的可靠性大致相同，可达到99.99%。对于一条线路，CBTC无线通信系统是由多个无线接入点组成的，当无线接入点的个数逐渐增加时，则其传输的可靠度会变差。现有的2.4GHz系统每1km大约需要设置5个AP，400MHz系统需要设置1个RRU。从组网模式上来看，双网交织冗余组网覆盖模式也比单网交织冗余覆盖的可靠性更高。
　　4结语
　　为了提高CBTC的可靠性，上海申通地铁集团有限公司在张江实训线做了工作在406.5 409.5MHz频段基于漏缆传输的无线通信系统的CBTC开通试验。试验以及可靠性分析表明，采用UHF低频段和基于漏缆传输的专频专网技术提高了无线通信传输的可靠性。同时，当某个车站设备出现故障时，其相邻两个车站足以保障无线覆盖，支撑车载与轨旁设备的正常无线通信。CBTC无线通信系统采用专频技术将成为今后的发展趋势，CBTC新一代无线通信模式具有很好的应用前景，值得进一步工程试验。